一流本科課程操作系統(tǒng)混合式教學模式探索

祁 暉，李 奇，底曉強，武 巖，劉 丹

（1.長春理工大學 計算機科學技術(shù)學院；2.長春理工大學信息化中心，吉林 長春 130022）

0 引言

操作系統(tǒng)是整個計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，它對下實現(xiàn)對硬件的操縱，控制各種資源的分配與使用，擴充硬件功能；對上為用戶程序和其他軟件、工具提供環(huán)境和服務，方便用戶使用。因而，該課程在培養(yǎng)計算機專業(yè)人才中起著非常重要的作用，是一門承上啟下的課程。長春理工大學計算機科學技術(shù)學院一直十分重視操作系統(tǒng)課程建設(shè)，將其設(shè)為計算機科學與技術(shù)專業(yè)、軟件工程專業(yè)和網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的必修課。經(jīng)過多年教學實踐，該課程先后被評為校級優(yōu)秀課程、校級精品課程和省級優(yōu)秀課程。

盡管操作系統(tǒng)課程內(nèi)容和資源已發(fā)展成熟且完備，教學團隊穩(wěn)定，但在實際教學中仍然存在下列問題：①教學手段單一。仍然依賴課堂教學，教學方式不靈活，無法滿足學生多樣化的學習需求，同時課堂教學因受學時限制，無法充分擴展知識點；②教學內(nèi)容陳舊。沿用傳統(tǒng)知識概念，偏重理論教學，注重算法學習，而忽略實際操作系統(tǒng)的實現(xiàn)，因此學生在完成課程后仍然停留在操作系統(tǒng)接口層面，不知道實際操作系統(tǒng)是如何設(shè)計及實現(xiàn)的；③教學工作繁重。目前教學團隊共有4 名教師，每學年需要完成12個班共400 余名學生的教學任務，平均每名教師面對100余名學生，無法實現(xiàn)小班教學，除備課之外的作業(yè)批改、試卷批改任務繁重，反過來也影響了備課質(zhì)量。

為提高教學質(zhì)量，長春理工大學于2020 年開展了一流本科課程建設(shè)項目立項工作，本課程被列為線上線下混合式一流課程。為了解決上述痛點，課程團隊進行了廣泛調(diào)研，采用混合式教學模式成為團隊成員的共識。在傳統(tǒng)教學中引入線上教學資源是目前操作系統(tǒng)課程改革的重要方向［1-3］，也是后疫情時代教育模式轉(zhuǎn)變的一個趨勢［4］。當然，目前混合教學模式主要還是解決“教學手段單一”的問題，而本文提出的混合模式，則延伸到了教學內(nèi)容和教學評價等方面，是涵蓋整個教學過程的混合模式。

1 相關(guān)研究

隨著教育信息化的發(fā)展，混合教學模式已逐漸被師生所接受，尤其是受疫情影響，該模式顯現(xiàn)出普及化的趨勢。但目前混合教學模式主要還是將線上教學資源作為傳統(tǒng)課堂的補充或延伸。如文獻［5］在課前采用云學習平臺開展線上教學；文獻［6］采用BB 平臺，并引入翻轉(zhuǎn)課堂教學模式；文獻［7］利用學習通平臺補充課前、課中和課后的教學活動；文獻［8］將騰訊課堂和虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，增加線上實驗環(huán)節(jié)；文獻［9］利用雨課堂開展線上翻轉(zhuǎn)課堂實驗教學；文獻［10］在線上教學方面提出多樣化的教學形式，引入了案例驅(qū)動的啟發(fā)教學模式和研究型教學模式；文獻［11］將基于問題的學習策略引入翻轉(zhuǎn)課堂教學模式；文獻［12］提出基于深度學習的“階梯式加深混合教學一般模式”，聚焦混合教學系統(tǒng)化設(shè)計。

上述混合教學模式均借助線上教學平臺，在教學方法上有一定創(chuàng)新，取得了較好的效果。但正如本文引言部分所述，目前的混合模式主要還是解決“教學手段單一”的問題，重在教學方法上的混合。如文獻［5-8］均較少涉及教學內(nèi)容改革；文獻［9-10］重在線上教學過程，并未充分論述如何進行線上教學評價；文獻［11］盡管涉及教學內(nèi)容改革，但新增內(nèi)容主要還是以操作系統(tǒng)接口層面為主，并未觸及系統(tǒng)核心；文獻［12］雖然在教學方法和評價上均引入線上線下混合模式，但未考慮如何提升教學效率。綜上，文獻［5-12］均未關(guān)注教學效率方面，而這是本文關(guān)注的一個重要方面，對充分挖掘混合教學模式的潛力有積極意義。

2 建設(shè)目標與內(nèi)容

為破解教學手段單一、教學內(nèi)容陳舊和教學工作繁重這3 個痛點問題，教學團隊圍繞下列3 個方面開展課程建設(shè)，在教學內(nèi)容、教學方法和教學評價上均采用混合模式。

2.1 構(gòu)建分層次混合的教學內(nèi)容

為適應學生的差異化教學，建立層次化的操作系統(tǒng)課程理論及實踐教學內(nèi)容。基礎(chǔ)理論課程內(nèi)容主要面向計算機科學與技術(shù)專業(yè)自然班的學生，以西安電子科技大學出版社出版的《計算機操作系統(tǒng)（第四版）》為藍本，結(jié)合中國大學MOOC 線上平臺的哈爾濱工業(yè)大學《操作系統(tǒng)》資源，重點講授操作系統(tǒng)內(nèi)核中關(guān)于處理機管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理和文件系統(tǒng)的基本概念、設(shè)計原理、方法與技術(shù)，注重基礎(chǔ)知識的學習。而面向計算機科學與技術(shù)專業(yè)創(chuàng)新實驗班的學生，在上述基礎(chǔ)理論課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將Linux 作為操作系統(tǒng)的實例教學，培養(yǎng)學生分析復雜系統(tǒng)工程問題的能力。同樣，在操作系統(tǒng)實踐教學中，在傳統(tǒng)算法實驗基礎(chǔ)上引入操作系統(tǒng)內(nèi)核修改實驗，并對實驗難易程度進行劃分，將中等及以下難度實驗作為普通課程實驗，而將中等以上難度實驗作為課程設(shè)計題目。全面訓練學生的編程能力，以促進學生深刻了解操作系統(tǒng)原理和實現(xiàn)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新設(shè)計能力。通過概念原理和內(nèi)核實現(xiàn)的混合，解決教學內(nèi)容陳舊問題。

2.2 開展線上線下混合教學

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，慕課等一批優(yōu)質(zhì)線上教學平臺進一步豐富了教學手段。只依賴于線上教學容易導致面對面交流機會缺乏，學習效果難以評估，而傳統(tǒng)的線下教學模式雖然已經(jīng)融合了多媒體等多個元素，但教學資源相對單一、教學模式死板，基于線上線下的混合式教學方法將發(fā)揮二者的優(yōu)點，提高教學質(zhì)量。鑒于此，采用基于SPOC 的線上線下混合教學模式，即SPOC=MOOC+課堂。具體教學過程：根據(jù)教學大綱，每周定期發(fā)布視頻教學材料，布置作業(yè)和組織網(wǎng)上討論。學生在學習清單的引導下按照時間點完成視頻觀看、作業(yè)和參加討論。在課堂上，教師進行課堂授課，處理網(wǎng)絡(luò)課程答疑，并進行課堂測試。SPOC 利用MOOC 技術(shù)支持教師將時間和精力轉(zhuǎn)向更高價值的活動中，如討論、任務協(xié)作和面對面交流互動等。此外，通過雨課堂與學生進行互動，并根據(jù)課上學生大數(shù)據(jù)分析及時調(diào)整教學內(nèi)容及進度，保證學生的學習效果。通過線上自主和線下互動的混合，解決教學手段單一問題。

2.3 改革考核方式，引入智能評價

傳統(tǒng)的“操作系統(tǒng)”課程偏重理論知識考核。為了鼓勵學生積極動手實踐，需要改革課程考核方式，將問題分析和解決能力、團隊協(xié)作能力等列入成績的評定指標中。調(diào)整期末考試和平時成績比例，分別占60%和40%。調(diào)整平時成績的考核指標，從學習態(tài)度、應用能力、團隊協(xié)作、個人修養(yǎng)等4 個方面進行評定，評定方式采取組內(nèi)自評、組間互評和教師評價相結(jié)合的方式。為支持能力考查，需要增加主觀題比重，而大量主觀題的出題和評分勢必增加教師的工作負擔。為此，引入主觀題自動評分系統(tǒng)，以機器+人工的方式提高評分效率，并保證評分結(jié)果的客觀性。通過線上智能評價和線下過程考核的混合，解決教學工作繁重問題。

3 建設(shè)進展

3.1 課程資源建設(shè)與完善

基于課程教學需要，將中國慕課中的優(yōu)質(zhì)資源引入課堂，包括哈爾濱工業(yè)大學李治軍、北京交通大學翟高壽、北京郵電大學蔣硯軍、常州大學莊麗華等主講的操作系統(tǒng)課程及Linux 操作系統(tǒng)編程的部分內(nèi)容。

基于學習通平臺，建設(shè)操作系統(tǒng)課程資源，包括：課程介紹、負責人團隊介紹、課程公告、教學大綱、教學日歷、教案或演示文稿、重難點指導、在線作業(yè)、在線測驗、教材、參考資料和課程教學視頻等。明確線上資源定位，主要將Linux 內(nèi)核實現(xiàn)相關(guān)介紹移到線上，作為理論課程的重要補充。為了督促學生開展線上學習，將線上作業(yè)、測驗結(jié)果作為過程性評價的重要來源，建立過程性評價和終結(jié)性評價相結(jié)合的多元化考核評價模式。

3.2 教學內(nèi)容與方式改革

建設(shè)校內(nèi)課程資源、結(jié)合校外優(yōu)質(zhì)課程資源、引入研討教學、案例教學和項目教學等多樣化手段與方法，開展“以學生發(fā)展為中心”的教學。改革實驗課程內(nèi)容，在原有算法實驗題目基礎(chǔ)上，引入Linux 內(nèi)核修改實驗（見表1），并對實驗難易程度進行劃分，將最難的兩個題目作為綜合性的選做題，學生可在課程設(shè)計時任選一道題目，從而銜接了理論教學和課程設(shè)計，擴展了課程的教學過程［13-16］。

Table 1 Operating system experiment topics表1 操作系統(tǒng)實驗題目

3.3 操作系統(tǒng)題庫與作業(yè)庫建設(shè)

開發(fā)了考試系統(tǒng)，并引入人工智能技術(shù)對主觀題進行自動評分，以減輕教師的批改工作負擔，使其將更多精力投入備課等環(huán)節(jié)，以提高教學質(zhì)量?？紤]到人工智能技術(shù)目前還不完善［17-18］，因此考試系統(tǒng)采用的是機器+人工的批改方式（見圖1），機器僅僅是給出建議得分，最終得分仍然需要人工復核，以確保成績的準確性。

Fig.1 Exam system scoring interface圖1 考試系統(tǒng)評分界面

目前已在考試系統(tǒng)中規(guī)范化錄入試題3 000 多道，包括選擇題、填空題、判斷題、簡答題、計算題等，既包括各章節(jié)練習題，也包括往年考研真題，建成了層次化試題庫。同時，根據(jù)每小節(jié)的講授內(nèi)容設(shè)計了作業(yè)庫。

4 建設(shè)成果

本課程借助于學習通平臺，對學生的在線學習情況，包括出勤、討論、作業(yè)、單元測驗、隨堂小測驗等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。截至2021 年5 月，學生在學習通平臺的章節(jié)學習次數(shù)統(tǒng)計達到14 772 次（見圖2）。

Fig.2 Xuexitong platform statistics圖2 學習通平臺統(tǒng)計

發(fā)布學習任務點18 個、非任務點2 個。其中包括12 個慕課線上自學視頻任務，8 個章節(jié)小測驗，學生完成率在96%以上（見圖3）?？梢?，課程改革后，學生的學習積極性很高。

Fig.3 Completion of online resource learning圖3 線上資源學習完成度

由于引入了自動評分系統(tǒng)，教師閱卷時僅需復核即可，極大減少了人工操作量。為了驗證自動評分系統(tǒng)的實際效果，課程團隊進行了兩組對比測試：一組測試不同人在有自動評分輔助和無自動評分輔助時，評閱每道題所需時間（測試結(jié)果見圖4）；另一組測試同一個人在有自動評分輔助和無自動評分輔助時評閱每道題所需時間（測試結(jié)果見圖5）。綜合來看，引入自動評分系統(tǒng)平均可以減少45.5%的評閱時間。

Fig.4 Test results of first set圖4 第一組測試結(jié)果

Fig.5 Test results of second set圖5 第二組測試結(jié)果

5 結(jié)語

本文闡述了操作系統(tǒng)課程的混合式教學模式，該模式將混合教學應用于教學內(nèi)容、教學手段和教學評價等方面，以解決目前教學實踐中存在的痛點。通過一年的教學實踐，學生參與度明顯提升，教師的教學負擔也得以較大程度地減輕。就課程本身而言，重點是解決了傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程理論知識過重的弊端，將實際操作系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)引入課堂，培養(yǎng)學生動手能力，以及分析問題和解決問題的能力，使其在今后的職業(yè)生涯中，面對復雜系統(tǒng)，能夠提出創(chuàng)新的設(shè)計和解決方案，為我國突破核心關(guān)鍵技術(shù)貢獻力量。